Fórmulas para a IPhO

Fórmulas para a IPhO
11. Derivadas e integrais de vetores: diferencie/integre cada
Tradução adaptada da versão de 16 MAR 2012
I
|~a × ~b| = ab sin ϕ; ~a × ~b = −~b × ~a ⊥ ~a, ~b
~a × ~b = (ay bz − by az )~ex + (az bx − bz ax )~ey + . . .
~a × [~b × ~c] = ~b(~a · ~c) − ~c(~a · ~b).
Matemática
1. Série de Taylor (omita as ordens maiores para aproxi- Produto misto. (volume do paralelepípedo definido. por 3
mações):
vetores):
F (x) = F (x0 ) +
X
F
(n)
n
(x0 )(x − x0 ) /n!
Caso Especial — aproximação linear:
F (x) ≈ F (x0 ) + F 0 (x0 )(x − x0 )
componente; alternativamente, diferencie através da regra
do triângulo para a diferença de dois vetores infinitesimalmente próximos.
II
Recomendações gerais
(~a, ~b, ~c) ≡ (~a · [~b × ~c]) = ([~a × ~b] · ~c) = (~b, ~c, ~a).
6. Lei dos senos e dos cossenos:
c2 = a2 + b2 − 2ab cos ϕ
Alguns exemplos para |x| 1:
1. Cheque a veracidade de todas as fórmulas: a) examine
as dimensões; b) teste casos simples especiais (dois parâmet7. Um ângulo inscrito em um círculo é metade do ângulo ros iguais, 1 parâmetro tendendo a 0 ou ∞); c) verifique a
n
plausibilidade do comportamento qualitativo da solução.
ln(1 + x) ≈ x, (1 + x) ≈ 1 + nx
central subtendido pelo mesmo arco de círculo.
2. Método das Pertubações: encontre a solução iterativaConclusões: a hipotenusa de um triângulo retângulo
mente usando a solução “não perturbada” (solução direta) é o diâmetro de seu circuncirculo; se os ângulos de um 2. Se há uma coincidência extraordinária no enunciado do
do problema como a aproximação de ordem zero; as cor- quadrilátero são suplementares, ele é um quadrilátero cíclico problema (e.g. duas coisas são iguais), então o segredo da
reções para cada próxima aproximação são calculadas a par- 8. Derivando:
solução pode estar aí.
tir da anterior.
0
0
0
0
0
0
(f g) = f g + f g, f [g(x)] = f [g(x)]g
3. Solução da equação diferencial linear de coeficientes con3. Leia atentamente as recomendações no enunciado do
(sin x)0 = cos x, (cos x)0 = − sin x
stantes ay 00 + by 0 + cy = 0:
problema. Preste atenção na formulação do problema —
y = A exp(λ1 x) + B exp(λ2 x),
(ex )0 = ex , (ln x)0 = 1/x, (xn )0 = nxn−1
as vezes, detalhes insignificantes podem conter informação
onde λ1,2 é a solução da equação característica aλ2 +bλ+c =
0
2
vital. Se você já está tentando resolvê-lo por um tempo,
(arctan x) = 1/(1 + x )
0 se λ1 6= λ2 .Se a solução da equação característica é
p
sem sucesso, então leia o enunciado novamente — talvez
um complexo, enquanto a, b e c são números reais, então
(arcsin x)0 = −(arccos x)0 = 1/ 1 − x2
você tenha entendido o problema de maneira errônea.
λ1,2 = γ ± iω e
9.
Integração: as fórmulas são as mesmas que as de
y = Ceγx sin(ωx + ϕ0 ).
derivação, mas com os lados esquerdo e direitos trocados.
4. Adie longos e trabalhosos cálculos matemáticos para o fi(operação inversa!), e.g.
4. Números complexos
ˆ
nal ( quando todo o resto já tiver sido feito) enquanto escreve
z = a + bi = |z|eiϕ , z̄ = a − ib = |z|e−iϕ
xn dx = xn+1 /(n + 1).
todas as equações iniciais que deverão ser simplificadas.
b
2
2
2
|z| = z z̄ = a + b , ϕ = arg z = arcsin
Caso especial do método de integração por substituição:
ˆ
|z|
5. Se o problema parece ser desesperançosamente difícil, ele
f (ax + b)dx = F (ax + b)/a.
Rez = (z + z̄)/2, Imz = (z − z̄)/2
provavelmente possui uma solução extremamente simples ( e
10. Métodos numéricos. Método iterativo de Newton de uma resposta simples). Isso é valido apenas para problemas
|z1 z2 | = |z1 ||z2 |, arg z1 z2 = arg z1 + arg z2
encontrar raízes f (x) = 0:
de olimpíadas, os quais são definitivamente solucionáveis.
eiϕ = cos ϕ + i sin ϕ
xn+1 = xn − f (xn )/f 0 (xn ).
sin x ≈ x, cos x ≈ 1 − x2 /2, ex ≈ 1 + x
cos ϕ =
eiϕ +e−iϕ
,
2
sin ϕ =
eiϕ −e−iϕ
2i
5. O produto vetorial e o produto escalar são distributivos:
a(b + c) = ab + ac.
~a · ~b = ~b · ~a = ax bx + ay by + . . . = ab cos ϕ
a/ sin α = b/ sin β = 2R
Regra do trapézio para integração aproximada:
ˆ b
b−a
f (x)dx ≈
[f (x0 ) + 2f (x1 ) + . . .
2n
a
+2f (xn−1 ) + f (xn )]
6. Nos experimentos a) esboce o esquema experimental
mesmo que você não tenha tempo para fazer as medições;
b) pense em como aumentar a precisão dos experimentos; c)
escreva, em uma tabela, todas as usas medições diretas.
mi~ri2 é útil para
calcular Iz de corpos bidimensionais ou corpos com simetria
1. Para um ponto ou para o movimento de translação de 1. Para um equilíbrio 2D e um corpo rígido há 2 equações central, usando que: 2θ = Ix + Iy + Iz .
para a força e 1 para torque. Uma eq. para força pode ser
um corpo rígido (integral → área debaixo do gráfico):
˜
ˆ
ˆ
substituída pela do torque. Torque é usualmente melhor — 10. Pêndulo físico com comprimento reduzido l; l é a disd~x
~v =
, ~x = ~v dt (x = vx dt etc.)
forças “chatas” podem ser eliminadas ao fazer uma escolha tância do CM ao pivô:
dt
ω 2 (l) = g/(l
q + I/ml),
adequada para a origem. Se forças são aplicadas em apeˆ
2
˜
ω(l) = ω(l − l) = g/˜l, ˜l = l + I/ml
d ~x
d~v
nas 2 pontos, as linha de aplicação delas coincidem; para 3
= 2 , ~v = ~adt
~a =
dt
dt
pontos, as 3 linhas se encontram em um único ponto.
11. Coeficientes dos momentos de inércia:Cilindro 12 , esfera
1
ˆ
ˆ
ˆ
sólida 25 , casca esférica fina 23 , barra 12
(rel. a ponta 13 ),
2. 2a lei de Newton para mov. transl. e rot. :
vx
−1
−1
t = vx dx = ax dvx , x =
dvx
quadrado 61 .
~ = I~ε (M
~ = ~r × F~ ).
F~ = m~a, M
ax
~ e ~ε são essen- 12. Leis de conservação frequentemente aplicadas:
Se a = Const., então as integrais anteriores podem ser re- Para uma geometria de duas dimensões, M
cialmente escalares e M = F l = Ft r, onde l é o braço da energia (corpos elásticos, sem fricção),
solvidas facilmente, e.g.
momento (sem força resultante externa; pode ser utilizada
força.
x = v0 t + at2 /2 = (v 2 − v02 )/2a.
3. Coordenadas generalizadas. Faça com que o estado do sis- em cada eixo),
2. Movimento de rotação — análogo ao de translação: tema seja definido por apenas um parâmetro ξ e sua derivada momento angular (sem torque resultante ext., e.g. os braços
ω = dϕ/dt, ε = dω/dt;
temporal ξ˙ de tal forma que a energia pot. seja Π = Π(ξ) e das forças externas valem zero (pode ser escrito em relação
2
a energia cin. K = µξ˙2 /2; então µξ¨ = −dΠ(ξ)/dξ. (Logo a 2 ou 3 pontos, podendo então substituir a conservação do
~a = ~τ dv/dt + ~nv /R
para um mov. transl. a força é a derivada da energia pot.) mom. linear.).
3. Movimento curvilíneo — o mesmo que o ponto 1, mas
13. Forças adicionais em ref. não inerciais: : força inercial
4. Se o sistema consiste
de pontos de massa mi :
X
X
X
~
~ e força de Coriolis ∗ 2m~v × Ω
os vetores devem ser substituídos por velocidades lineares,
−m~a, força centrífuga mω 2 R
~rc =
mi~ri /
mj , P~ =
mi~vi
acelerações e comprimento do caminho.
(melhor evitá-la; sendo ⊥ a velocidade, ela não realiza nenX
X
2
hum trabalho).
~
4. Movimento de um corpo . a) vA cos α = vB cos β; ~vA , ~vB
L=
mi~ri × ~vi , K =
mi vi /2
ˆ
— velocidades dos pontos. A e B; α, β — ângulos formados
14. Coordenadas inclinadas: para o movimento em um
X
Iz =
mi (x2i + yi2 ) = (x2 + y 2 )dm.
por ~vA , ~vB com a reta AB. b) O centro instantâneo de roplano inclinado, é normalmente prático alinhas os eixos de
tação (6= diferente do centro de curvatura do material) pode
forma a ficarem ao longo e ⊥ao plano; a aceleração gravit.
5. Em um referencial com velocidade ~vc em relação ao censer encontrado pela intersecção da perpendiculares a ~vA e ~vB
tem então componentes tanto em x- quanto em y- . Os
tro de massa (o índice c denota as quantidades relacionadas
traçadas respectivamente em A e B, ou (se ~vA , ~vB ⊥ AB)
eixos também podem ser oblíquos (não ⊥), mas então para
ao centro de massa):
como o ponto de intersecção de AB com a reta conectando
~v = vx~ex + vy ~ey , vx 6= da projeção em x- de ~v .
~ =L
~ c + MΣ R
~ c × ~vc , K = Kc + MΣ vc2 /2
L
as pontas de ~vA e ~vB .
15. Colisão de 2 corpos: são conservados a) o mom. total,
P~ = P~c + MΣ~vc
b) o mom. angular total, c) o mom. angular de um dos cor5. Referenciais não inerciais:
~ + ~aCor
6. O teorema de Steiner é análogo (b — é a distância do pos em relação ao ponto de impacto, d) a energia total (para
~v2 = ~v0 + ~v1 , ~a2 = ~a0 + ~a1 + ω 2 R
colisões elásticas); em caso de fricção, a energica cinética é
centro de massa ao eixo de rot.): I = Ic + mb2 .
Note: ~aCor ⊥ ~v1 , ω
~ ; ~aCor = 0 se ~v1 = 0.
a
~ dados pelo item 5), a 2 lei de Newton se conservada apenas ao longo do eixo ⊥ a força de fricção, ou
7. Com P~ e L
6∗ . Problema balístico: região alcançável
seja, ao logo do eixo da colisão e.g. na colisão entre uma
torna:
2
2
2
bola e um plano, a energia cinética é conservada na direção
~
~ Σ = dL/dt
~
y ≤ v0 /(2g) − gx /2v0 .
F~Σ = dP/dt,
M
perpendicular ao plano. Também, e) se o escorregamento
∗
7. Para encontrar os caminhos mais rápidos, os princípios 8 . Complementarmente a 5) o mom. de inércia relativo para durante o impacto, as velocidades finais dos pontos de
ao eixo z que passa pelo centro de massa pode ser calculado
de Fermat e Huygens podem ser usados.
contato terão projeções iguais no plano de contato f) se o
por:
X
escorregamento não para, o momento cedido de um corpo
8. Para achar um vetor (velocidade, aceleração), é suficiente
Iz0 =
mi mj [(xi − xj )2 + (yi − yj )2 ]/2MΣ
para o outro forma um ângulo arctan µ com a normal do
encontrar sua direção e sua projeção em um único eixo ( posi,j
plano de contato.
.
sivelmente inclinado)
III
Cinemática
IV
Dinâmica
9. Mom. de inércia relativo a origem θ =
P
16. Todo movimento de um corpo rígido pode ser repre- geral (com 2N constantes de integração Xi e φi )é a super- 3. Se o índice de refração muda continuamente, então nós
sentado como uma rotação ao redor do eixo instantâneo de posição de todos os modos naturais:
X
rotação C (em termos das velocidades dos pontos do corpo)
xj =
Xi xj0 sin(ωi t + ϕij + φi )
Não confunda! A distância de um ponto do corpo, P a C 6=
i
do raio de curvatura da trajetória de P .
4. Se um sistema é descrito por uma coordenada general17. Tensão na mola: para uma mola massiva pendurada, izada ξ (cf. IV-2) e K = µξ˙2 /2 possui um estado de equicomponente horizontal da tensão é constante e a componente líbrio em ξ = 0, para pequenas oscilações Π(ξ) ≈ κξ 2 /2
vertical muda conforme a massa da mola abaixo do ponto [onde κ = Π00 (0)] tal que ω 2 = κ/µ.
considerado. Força de pressão (por unidade de compri- 5. A fase da onda no ponto x, t é ϕ = kx − ωt + ϕ0 ,
mento) de uma mola em repouso em uma superfície lisa é de- onde k = 2π/λ é o vetor de onda. O valor em x, t é
terminada por seu raio de curvatura e sua tensão: N = T /R. a0 cos ϕ = <a0 eiϕ . A velocidade de fase é vf = νλ = ω/k e
Analogia: pressão da tensão superficial: p = 2σ/R; para a velocidade de grupo vg = dω/dk.
deduzi-la, estude a força da pressão ao longo do diâmetro,
6. Para ondas lineares(eletromagnéticas, sonoras com baixa
ou calcule o trabalho realizado pelo aumento do raio.
amplitude, ondas na água) qualquer pulso pode ser consid18∗ . Invariante adiabático: se a taxa de variação dos erado como uma superpos. de ondas senoidais; Uma onda
parâmetros em um sistema oscilante é pequena durante um estacionária é a soma de duas ondas idênticas se propagando
período, a área do loop desenhada no plano de fase (i.e. em em direções contrárias:
p-x coordenadas) é conservado com uma acurácia muito boa.
ei(kx−ωt) + e−i(kx−ωt) = 2e−ωt cos kx.
19. Ao estudar estabilidade use a) princípio da energia podo som em um gás
tencial mínima ou b) princípio de deslocamento virtual in- 7. Velocidade p
p
p
cs = (∂p/∂ρ)adiab = γp/ρ = v̄ γ/3.
finitesimal.
p
20∗ . Teorema do Virial para um movimento finito:
8. Velocidade do som em materiais elásticos cs = E/ρ,
a) Se F ∝ |~r|, então hKi = hΠi (média temporal);
onde E é o módulo de Young.
√
b) Se F ∝ |~r|−2 , então 2 hKi = − hΠi.
9. Velocidade de ondas rasas (h λ) na água: v = gh.
21. Equação do foguete de Tsiolkovsky ∆v = u ln M
m.
V
Oscilação e ondas
1. Oscilações amortecidas :
ẍ + 2γ ẋ + ω02 = 0 (γ < ω0 ).
Solução para essa equação é (cf. I.2.):
q
x = x0 e−γt sin(t ω02 − γ 2 − ϕ0 ).
2. Eq. do movimento
para um sistema de osciladores
P
acoplados: ẍi =
j aij xj .
1+vk /cs
10. Efeito Doppler: ν = ν0 1−u
.
k /cs
11. Princípio de Huygens: a frente de onda pode ser con-
struída passo a passo, colocando uma fonte de ondas imaginária em cada ponto da frente de onda anterior. As curvas
resultantes são separadas por uma distância ∆x = cs ∆t,
onde ∆t é is a variação de tempo considerada e cs é a velocidade no ponto dado. Ondas se propagam ⊥ à frente de
onda.
VI
Óptica geométrica, Fotometria.
dividimos imaginariamente o meio em camadas com n constante e aplicamos a lei de Snell. O raio de luz pode viajar
ao longo de uma camada de n constante, se a condição para
reflexão interna total é marginalmente satisfeita: n0 = n/r
(onde r é o raio de curvatura).
4. Se o índice de refração depende apenas de z, os mom. px
, py , do fóton e a energia são conservados
kx , ky = Const., |~k|/n = Const.
5. A equação das lentes finas ( preste atenção aos sinais):
1/a + 1/b = 1/f ≡ D.
6. Eq. de Newton (x1 , x2 — distância do objeto e da imagem ao plano focal): x1 x2 = f 2 .
7. Método paralático de encontrar a posição de uma imagem: encontre uma posição para a ponta do lápis tal que
a posição dele não mude em relação à da imagem ao mover
seus olhos em uma direção perpendicular direção ao lápis.
8. Construções geométricas para encontrar a trajetória de
raios de luz através de lentes:
a) raio passando pelo centro da lente não refrata;
b) raio k ao eixo óptico passa através do foco;<
c) após a refr., raios inicialmentekse encontram no plano focal;
d) A imagem de um plano é um plano; esses dois planos se
encontram no plano da lente.
9. Fluxo luminoso Φ [unidade: lúmen (lm)] mede a energia
da luz(emitida, passando por um contorno, etc), ponderada
de acordo com a sensibilidade do olho. Intensidade luminosa [candela (cd)] é o fluxo luminoso (emitido por uma
fonte) por ângulo sólido: I = Φ/Ω. Iluminância [lux (lx)] é
o fluxo luminoso (caindo em uma área) por unidade de área:
E = Φ/S.
10. Teorema de Gauss para o fluxo luminoso: o fluxo passando através de uma superfície fechada circundando fontes
P
3. Um sistema de N osciladores acoplados possui N mo- 1. Princípio de Fermat: o caminho seguido pela onda de pontuais de intensidade Ii é Φ = 4π Ii ; caso de uma única
um ponto A a um ponto B é tal que ela o percorre no tempo fonte luminosa: a uma distância r, E = I/r2 .
dos naturais (modos normais) diferentes de vibração onde
mínimo.
todos os osciladores vibram com a mesma frequênciaωi ,
11. Uma dica experimental: se uma mancha de gordura em
xj = xj0 sin(ωi t+ϕij ), e N frequências naturais ωi (as quais 2. Lei de Snell:
um papel é tão brilhante quanto o papel ao seu redor, então
podem ser iguais (raízes múltiplas), ωi = ωj ). A solução
o papel é igualmente iluminado de ambos os lados.
sin α1 / sin α2 = n2 /n1 = v1 /v2 .
VII
Óptica física (ondulatória )
1. Difração — método baseado no princípio de Huygens: se
obstáculos dividem a frente de onda em fragmentos, a frente
de onda pode ser pode ser dividida em pequenas partes cada
uma servindo como fontes imaginárias puntiformes; a amplitude da onda observada será a soma das contribuições dessas
fontes.
são pode ser encontrado ao introduzir 5 ondas planas (para
ondas se propagando para a esquerda e para a direita antes
do equipamento, dentro do equipamento, e após o equipamento) e adequando todos os “contornos” da região. Outra
maneira é considerar cada reflexão como uma multiplicação
por um número complexo reiθ onde r é a refletividade e θ
é a diferença de fase entra as ondas, e utilizar a fórmula de
soma infinita de PG com razão < 1.
2. Interferência em dupla fenda (a largura de fenda d 11. Ondas eletromagnéticas coerentes: campos elétricos
a, λ): ângulos de máximo ϕmax = arcsin(nλ/a), n ∈ Z; são somados; fasores podem ser utilizados, sendo o ângulo
I ∝ cos2 (k a2 sin ϕ), onde k = 2π/λ.
entre os fasores
p a diferença de fase; Atenção! Dispersão:
3. Fenda única:
ângulos de mínimo ϕmin
= n = n(ω) = ε(ω). Fluxo da densidade de energia (en. por
arcsin(nλ/d), n ∈ Z, n 6= 0. Não esqueça! O máximo unidade de área e tempo): I = cε0 nE 2 .
central possui o dobro dessa largura. I ∝ sin2 (k d2 sin ϕ)/ϕ. 12. Lei de Malus: para luz linearmente polarizada I =
Para deduzi-la divida a fenda imaginariamente em metades, I cos2 ϕ, onde ϕ é o ângulo entre os planos de polarização.
0
quartos, oitavos, etc; veja pt. 1.Outra maneira de deduzi-la
13. Ângulo de Brewster: raios refletidos e paralelos são
é utilizar a fase completa da onda, usando o princípio de pt.
⊥; raio refletido é completamente polarizado; ângulo de in1 e integrar.
cidência tan ϕB = n.
4. Grade de Difração: o máximo central é o mesmo que
14. Difração com elementos ópticos: não há necessidade
o de pt. 2, a largura dos máximo principal — é o mesmo
de calcular o caminho óptico: trabalhe simplesmente com
que o de pt. 3 com d sendo o comprimento da grade de
imagens e.g. com a imagem do objeto em um espelho. Conλ
= nN , onde n é
difração.Poder de resolução (espectral) ∆λ
clusão particular: um biprisma da a mesma difração que
a ordem do máximo principal e N — o número de fendas.
uma dupla fenda.
λ
5. Poder de resolução de um equipamento espectral: ∆λ
=
15∗ . Fibras Ópticas: Interferômetro de Mach-Zehnder é
L
,
onde
L
é
a
diferença
de
caminho
óptico
entre
o
raio
mais
λ
análogo a difração de dupla fenda; Ressonador circular — no
“curto ” e o mais “longo”.
interferômetro de Fabry-Perot; filtros de Bragg funcionam
λ
= a dn
6. Poder de resolução de um prisma:: ∆λ
dλ .
similarmente ao caso dos raios-X . Fibras ópticas de modo
7. Distância angular para a qual dois pontos são resolvíveis único (monomodo, SMF) ∆n/n ≈ λ/d.
por um telescópio ideal (lentes): ϕ = 1.22λ/d. Onde d é o
diâmetro da lente e λ o comprimento de onda considerado.
VIII Circuitos
Para esse ângulo, o centro da imagem de um dos pontos cai
1.
U = IR, P = U I
no primeiro mínimo de difração do outro ponto.
X
X
Rseries =
Ri , Rk−1 =
Ri−1
8. Teoria de Bragg : Um conjunto de planoskde átomos em
um cristal refletem raios X se 2a sin α = kλ; a é a distância
entre os planos vizinhos, e α é o ângulo de incidência.
9. Reflexão por um meio dielétrico opticamente mais denso:
mudança de fase de π. Filmes semi-transparentes também
produzem diferenças de fase.
2. Leis de Kirchoff:
X
I = 0,
nó
X
percurso f echado
U =0
método das correntes em loop (defina uma corrente para cada
circuito fechado independente ; circuitos equivalentes (quaisquer 3 terminais ⇒ delta ou estrela; quaisquer 2 terminais
com emf (força eletromotriz) ⇒ r e E em série).
5. AC: aplique pts. 1 a 4 substituindo R por Z:
ZR = R, ZC = 1/iωC, ZL = iωL;
ϕ = arg Z, Ueff = |Z|Ieff
P = |U ||I| cos(arg Z) =
X
Ii2 Ri .
6. Tempos
√ característicos: τRC = RC, τLR = L/R,
ωLC = 1/ LC. Relaxamento para a corrente estacionária,
distribuição exponencial, ∝ e−t/τ .
7. Conservação da energia para circuitos elétricos:
∆W + Q = U q, onde q é a carga que passou pela diferença
de potencialU ;O trabalho realizado pela emf é A = Eq.
8. WC = CU 2 /2, WL = LI 2 /2.
9. E = −dΦ/dt = −d(LI)/dt, Φ = BS.
10. Elementos não lineares: método gráfico — encontre
a solução em coordenadas U -I como um ponto de intersecção da curva não linear e uma reta representando as leis
de Ohm/Kirchoff . No caso de vários pontos de intersecção,
estude a estabilidade — algumas soluções são normalmente
instáveis.
11. Faça uso dos limites para tempos longos e curtos. Para
tobservação τRC ou τLR , o equilíbrio é quase alcançado:
IC ≈ 0 (O fio está quebrado próximo a C) e EL ≈ 0 (L está
efetivamente em curto-circuito). Para tobservação τRC ou
τLR , a variação de carga em C e a queda da corrente em
L são pequenos, ∆Q Q e ∆I I: C está em “curto
circuito” e L está “quebrado”.
12. Se L 6= 0, então I(t) é uma função contínua.
13. Em um contorno supercondutor, o fluxo magnéticoΦ =
3. Resistência em uma série infinita: use auto-semelhança; Const. Em particular, quando não há campo elétrico externo
resistência entre nós vizinhos em uma grade infinita: use o B, LI = Const.
10. Interferômetro de Fabry-Perot: dois espelhos k semi- método generalizado das imagens elétricas ¿ r.
14. Indutância mútua: fluxo magnético através de um
transparentes com uma refletividade alta r (1 − r 1). 4. Para reduzir o número de equações em p.t.2 : método contornoΦ1 = L1 I1 + L12 I2 (I2 — corrente no segundo con√
ν
2a
Poder de resolução ∆ν
≈ λ(1−r)
. O espectro de transmis- dos potenciais nos nós (defina um potencial para cada nó); torno). Teoremas: L12 = L21 ≡ M ; M ≤ L1 L2 .
IX
Eletromagnetismo
1. F = kq1 q2 /r2 , Π = kq1 q2 /r — leis de Kepler são
aplicáveis (Cap. XII).
¸
~ S
~ = 0,
2. Lei de Gauss
Bd
˛
˛
~
~
~ = −4πGM.
εε0 EdS = Q,
~g dS
3. Teorema da circulação
˛ ~
˛
Bdl
= I, ~g d~l = 0.
µµ0
4. Campo magnético gerado por um elemento de corrente:
~
~ = µµ0 I dl × ~er ;
dB
4π
r2
0I
logo, no centro de uma espira: I: B = µ2r
~ F~ = I~ × Bl.
~
5. F~ = e(~v × B~ + E),
˛
~ ~l = 0 (= Φ̇),
Ed
6. Da lei de Gauss e da lei da circulação:
0
DC: B = Iµ
fio carregado: E = 2πεσ0 r ,
2πr ;
superfície carregada E = 2εσ0 , plano de corrente B = µ20 j ;
dentro de uma esfera (ou casca cilíndrica infinita) de carga
superficial constante, E = 0, dentro de uma superfície cilíndrica com corrente superficial k ao eixo B = 0,
dentro de uma bola (d = 3), cilindro (d = 2) ou camada
(d = 1) com ρ ou ~j(independente da direção!) uniformes:
~ = ρ ~r; B
~ = µ0 ~j × ~r.
E
dε0
d
Para deduzir, compare: o cálculo do potencial elétrico
~ e a diferenciΦ por integração com o potencial vetor A
~
~
ação necessária para o cálculo de E e B por diferenciação
~
∇ · Φ e ∇ × A.
7. Solenoide longo: dentro B = Inµµ0 , fora 0, Nos de0Ω
; fluxo Φ = N BS e indutância
mais lugares Bk = Inµµ
4π
2
L = Φ/I = ln µµ0 onde n = Nl ).
8. Medindo campos magnéticos com
uma pequena bobina
´ E
e um galvanômetro balístico: q =
R dt
= N S∆B/R.
9. Energia potencial de umˆsistema de cargas:
raios infinitesimalmente diferentes e igualar essa diferença
de energia a Área × pressão × dr.
22. Uma carga, solta do repouso, em um campo magnético
~ = B~ez move-se com velocidade de deriva
homogêneo B
11. Se todas as cargas estão a uma distância R (e.g. no v = E/B = F/eB (velocidade média ao longo de um “ciclo”)
centro de uma esfera ou anel heterogeneamente carregados), ao longo de uma ciclóide; mom. generalizado é conservado,
salva impulso dado por forças externas e.g. E · e
ϕ = kQ/r.
p0x = mvx − Byq, p0y = mvy + Bxq,
12. Para achar a carga total (ou potencial) induzido por
assim como o mom. angular gen. L0 = L + 21 Bqr2 .
cargas externas, use o princípio da superposição: “espalhe”
23. Dentro de um supercondutor e para processos rápidos
as cargas para tornar o problema simétrico.
13. Blindagens elétricas e campos elétricos, e.g. a dis- dentro de um condutor B = 0 e portanto I = 0 (a corrente
passa pela superfície — efeito pelicular; skin effect).
tribuição de carga dentro de uma esfera oca não pode ser
visto do exterior (é semelhante a uma bola condutor pos- 24. Gerador MHD (Magneto hidrodinâmico, transforma energia térmica ou cinética diretamente em energia elétrica) (a
suindo uma carga total Q)
~
14. Capacitâncias: C = εε0 S/d (plano), 4πεε0 r(esfera), — comprimento na direção de E; b e c são os comprimentos
nas
outras
duas
direções;
v
é
a
velocidade,
ρ é a resistividade
2πεε0 l(ln R/r)−1 (cilindros coaxiais).
do fluido):
15. Momento de dipolo:
X
E = vBa, r = ρa/bc.
~
d~e =
qi~ri = ~lq, d~µ = I S.
25. Histerese: curva em formato de S (loop) em coorde16. Energia e torque em um dipolo:
nadas B-H (para uma bobina com núcleo, também em co~ (B),
~
~ = d~ × E
~ (B).
~
ordenadas B-I): a área do loop dá a densidade de dissipação
W = d~ · E
M
da energia térmica em um ciclo.
17. Campo de um dipolo: ϕ = kd~ · ~er /r2 ; E, B ∝ r−3 .
~
~
~ ~
~
18. Forças agindo em um dipolo: F = (E~ d~e )0 , F = (B~ d~µ )0 ; 26. Campos em materiais: D = εε0 E = ε0 E + P , onde P é
o vetor de polarização dielétrico (densidade volumétrica do
interação entre dois dipolos: F ∝ r−4 .
~
~
~
~
~
19. Imagens elétricas e magnéticas: planos aterrados (su- momento de dipolo); H = B/µµ0 = B/µ0 − J, onde J é o
vetor de magnetização (densidade volumétrica do momento
percondutores para os magnéticos) agem como espelhos.
magnético).
Campo de uma esfera aterrada (ou isolada) pode ser encontrado como o campo de uma (ou duas) cargas fictícias 27. Na interface entre duas substâncias Et , Dn (= εEt ),
dentro da esfera. O campo uma fenda entre placas metáli- Ht (= Bt /µ) e Bn são contínuos.
1
2
2
cas (guia de onda) pode ser encontrado pela superposição 28. Densidade de energia: W = 2 (εε0 E + B /µµ0 ).
de ondas eletromagnéticas.
29. Para µ 1, as linhas de campo de B são atraídas para
20. Polarização de esferas (cilindros) em um campo elétrico o ferromagnético (ele age como um poço de potencial, cf. pt.
homogêneo: superposição de duas esferas (cilindros) homo- 28).
~
geneamente carregados (+ρ e −ρ), d ∝ E.
30. Densidade de corrente ~j = ne~v = σE~ = E/ρ.
21. Correntes de Foucault (correntes de redemoinho ou cor-
X Termodinâmica
rentes parasitas):(bloco a × h × d , com resistividade ρ, com
velocidade v em uma região de campo magnético B) densiΠ=k
ϕ(~r)dq, dq = ρ(~r)dV.
1. pV = mµ RT
rij
i>j
dade de dissipação da potência (quando o bloco está penei
10. Força entre partes de uma esfera ou superfície cilín- trando ou saindo da região com corrente) ∼ B 2 v2 /ρ; mo- 2. Energia interna de um mol U = 2 RT .
drica uniformemente carregadas: substitua a força devido mento recebido durante uma “passada” (entrar e sair da 3. Volume de um mol em condições padrões. é 22,4 l.
as cargas por uma força devido a pressão hidrostática. Você região com campo): F τ ∼ B 2 a3 d/ρ (onde d —largura do 4. Processos adiabático: são lentos, se comparados com a
pode calcular essa força calculando a diferença de energia en- bloco; a — lado, considerando h = a ).Considerando ele um velocidade do som; não há troca de calor: pV γ = Const. (e
tre cascas esféricas/cilíndricas de mesma carga porém com paralelepípedo, poderíamos completar: F τ ∼ B 2 a2 dh/ρ
T V γ−1 = Const.).
X qi qj
1
=
2
5. γ = cp /cv = (i + 2)/i, onde i
graus de liberd. disponı́veis(rot. + transl. + 2 × vibr.)
=
6. Distribuição de Boltzmann:
4. Espectro: hν = En −Em ; a largura das linhais espectrais 8. Um círculo e uma elipse com um foco no centro do círculo
esta relacionado ao tempo de vida (tempo característico):
Γτ ≈ ~.
podem se tangenciar apenas no semieixo maior.
9∗ . Vetor Runge-Lenz (o vetor da excentricidade):
5. Oscilador(e.g. molécula) níveis de en. (como frequên-
ρ = ρ0 e−µgh/RT = ρ0 e−U/kT .
cia natural ν0 ): En = (n +
1
2 )hν0 .
~ε =
Para várias frequências
~ × ~v
L
+ ~er = Const.
GM m
7. Distribuição de Maxwell (o número de moléculas com naturais: E = P hn ν .
2
i i
i
velocidade v) dN(v) ∝ e−mv /2kT .
XIII Teoria da relatividade
6. Tunelamento: barreira Γ com
p largura l é facilmente pen8. Pressão atm. : se ∆p p, então∆p = ρg∆h.
etrável se Γτ ≈ ~, onde τ = l/ Γ/m.
p
1. Transformações de Lorentz (rotação
p no espaço-tempo 4D
9. p = 31 mnv̄2 , v̄ = 3kT /m, ν = vnS.
7. Modelo de Bohr: En ∝ −1/n2 . Em uma órbita circular da geometria de Minkowski), γ = 1/ 1 − v2 /c2 :
10. Ciclo de Carnot 2 adiabáticas, 2 isotérmicas. η = (calculada classicamente)há um número inteiro de comprix0 = γ(x − vt), y 0 = y, t0 = γ(t − vx/c2 )
(T1 − T2 )/T1 ; deduza usando coordenadas S-T , ou usando
um ciclo infinitesimal em coordenadasP -V .
11.
12.
13.
14.
15.
Bomba de calor,ciclo de Carnot inverso: η =
T1
T1 −T2 .
mento de ondas λ = h/mv.
8. Efeito Compton — se um fóton é espalhado por um
elétron, ∆λ = λC (1 − cos θ).
p0x = γ(px − mv), m0 = γ(m − px v/c2 )
2. Norma (comprimento) de um quadrivetor 4-vector:
Entropia: dS = dQ/T .
9. Efeito fotoelétrico A + mv /2 = hν (A - função tra-
s2 = c2 t2 − x2 − y 2 − z 2
I lei da termodinâmica: δU = δQ + δA
balho). I-U - gráfico: a corrente começa a passar quando a
contra-voltagem U = −(hν − A)/e, e ela é saturada para
altos valores de U na direção a favor.
m20 c2 = m2 c2 − p2x − p2y − p2z
2
II lei da termodinâmica: ∆S ≥ 0 (e ηreal ≤ ηCarnot ).
Trabalho do gás (veja também pt. 10)
ˆ
i
A = pdV, adiabática: A = ∆(pV )
2
10. Lei de Stefan-Boltzmann: P = σT 4 .
XII
Leis de Kepler
16. Lei de Dalton (lei das pressões parciais): p = pi .
17. Fervura: pressão saturada de vapor pv = p0 ; na inter- 1. F = GM m/r2 , Π = −GM m/r.
face entre 2 líquidos: pv1 + pv2 = p0 .
2. Interação gravitacional de duas massas pontuais (I lei de
18. Fluxo de calor P = kS∆T /l (k — condutibilidade tér- Kepler): a trajetória de cada um deles é uma elipse, parábola
P
mica); analogia a circuitos DC (P corresponde a I, ∆T a U ,
k a 1/R).
´
19. Capacidade térmica: Q = c(T )dT . Sólidos: em pequenas temperaturas, c ∝ T 3 ; para altas T , c = 3N kT , onde
N — número de íons na estrutura cristalina.
20. Tensão superficial:
U = Sσ, F = lσ, p = 2σ/R.
XI
Mecânica quântica
1. p~ = ~~k (|~p| = h/λ), E = ~ω = hν.
2. Interferência: assim como em óptica ondulatória.
3. Incerteza (como um teorema matemático):
~
~
1
, ∆E∆t ≥ , ∆ω∆t ≥ .
2
2
2
Para estimativas qualitativas para formatos não suaves, h é
mais adequado (∆p∆x ≈ h etc).
∆p∆x ≥
ou hipérbole, com um foco no centro de massa do sistema.
Deduza a partir de v. R.L.. (pt 9).
3. Adição de velocidades:
w = (u + v)/(1 + uv/c2 ).
4. Efeito dopler:
ν 0 = ν0
p
(1 − v/c)/(1 + v/c).
5. O espaço de Minkowski pode ser tornado Euclidiano se
o tempo for imaginário (t → ict). Então, para o ângulo de
rot. ϕ, tan ϕ = v/ic. Expresse sin ϕ, e cos ϕ via tan ϕ, e
aplique as fórmulas da geometria Euclidiana.
6. Contração do espaço: l0 = l0 /γ.
7. Dilatação do tempo: t0 = t0 γ.
3. II lei de Kepler (conserv. do mom. angular): para uma
2
massa central em um campo de forças centrais, o ario vetor 8. Simultaneidade é relativa, ∆t = −γv∆x/c .
d
9. F~ = d~p/dt [= dt (m~v), onde m = m0 γ].
cobre áreas iguais em intervalos de tempos iguais.
Aproximação
4. III lei de Kepler: para duas massas pontuais em orbitas 10.
p
p ultra-relativística: v ≈ c, p ≈ mc,
1 − v 2 /c2 ≈ 2(1 − v/c).
elípticas em um campo de forças r−2 , o período de revolução
3
~0 = B
~ || ,
estão relacionados com o semieixo maior pela potência de 2 : 11∗ . Transformação de Lorentz para E-B: B
||
2
2
3
3
T1 /T2 = a1 /a2 .
~0 = E
~ || ,
E
||
5. A energia total (K + Π) de um corpo em um campo
~
0
0
~⊥
~ ⊥ + ~v × B
~ ⊥ ), B
~⊥
~ ⊥ − ~v × E⊥ ).
E
= γ(E
= γ(B
gravitacional:
c2
E = −GM m/2a.
6. Para excentricidades pequenas ε = d/a 1, trajetórias ∗
marca um material avançado.
podem ser consideradas como tendo formas circulares, com
Corrections/suggestions ⇒ [email protected].
focus deslocados.
Composed by J. Kalda, translated by U. Visk and J.K.
7. Propriedades das elipses: l1 + l2 = 2a (l1 , l2 — distâncias
aos focos), α1 = α2 (luz de um foco é refletido no outro),
S = πab.
Erros de tradução/gramática⇒[email protected]
Traduzido ao português por Ivan Tadeu Ferreira Antunes Filho